黃河上游水電開發與生態保護路徑研究

周 恒，牛 樂，李厚峰，張乃暢

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710004）

黃河是我國第二大河，發源于青藏高原巴顏喀拉山脈[1]，地貌復雜，氣候多變[2]，流域面積75萬km2，多年水資源量525億m3，以占全國2%的水資源量承載了15%的耕地和12%的人口供水任務，對西北地區的工農業發展舉足輕重[3]。按地理環境及水文特征，黃河干流劃分為上、中、下游3個河段，其中源頭至內蒙古托克托縣河口鎮為上游河段[4]，河長3 472 km，控制流域面積38.6 萬km2，流量大，多瀑布險灘[1，4，5]，水能蘊藏豐富，適宜水電開發。根據1979 年全國水力資源普查結果，黃河干支流水能理論裝機容量為4 055萬kW，技術可開發量3 344萬kW，目前上游段是我國重要的水電基地之一，已建成運行的水電站裝機容量1 496 萬kW，占黃河流域水能可開發量的44.7%，隨著瑪爾擋、茨哈峽和羊曲等水電站的建成，占比將達到67.5%，其脆弱的生態系統將面臨更大的考驗。

黃河孕育了中華文明，不僅是我國經濟腹地和能源基地，更是我國北方最重要的生態屏障。歷史上，黃河流域治理可劃分為4 個階段[6]。1949 年之前，黃河經常發生洪澇災害，是以防洪保護人民生命和財產安全為主的第一階段。1949—1999年，隨著水利設施的投建，黃河治理進入除害興利的現代治水時期。1999—2019 年，黃河治理進入多目標綜合治理的第三階段。2019 年9 月，習近平總書記在鄭州主持召開黃河流域生態保護和高質量發展座談會，將黃河流域生態保護和高質量發展確定為國家重大戰略[7]，黃河治理進入以生態保護為主的第四階段。目前，隨著生態文明建設的深入推進，各項法律法規的不斷完善，如何平衡黃河上游水電開發與生態保護，避免其脆弱的生態環境特別是水生態系統遭到破壞，成為水電發展亟待解決的問題。

1 黃河上游水電開發現狀

根據國家統計局數據，2001—2021 年，我國水電裝機容量保持正增長趨勢，年均增長速率為8%，如圖1所示。

圖1 2001-2021全國水電生產電力量統計

發電總量除2003、2011和2021年出現負增長以外，其余均保持正增長，年均增長速率為9%，如圖2所示。

圖2 2001-2021全國水電裝機容量統計

其中，黃河流域上游水電裝機容量占全國水電裝機容量的3.9%，發電量占全國水電發電量的3.8%，隨著瑪爾擋、羊曲、茨哈峽等水電站的建成，這一占比還將增加，黃河上游梯級水電站的開發密度對流域生態保護特別是水生生態提出了更高要求。1980 年，全國水力資源普查確定了“十三大水電基地”，黃河上游是其中最早開發的水電基地。2000 年，根據西部大開發戰略，國家“十五”規劃綱要提出建設“西電東送”北、中、南3 條大通道戰略，其中北通道電源依托黃河上游水電基地[8]。2005年，根據國家能源發展“十一五”規劃，龍羊峽以上河段水電規劃工作全面開展。2013 年，國務院批復了《黃河流域綜合規劃（2012—2030 年）》，從流域綜合利用層面確定了黃河上游水電梯級開發的布置格局[9]。2020 年5 月，《中共中央國務院關于新時代推進西部大開發形成新格局的指導意見》提出“加強可再生能源開發利用，開展黃河梯級電站大型儲能項目研究，培育一批清潔能源基地”等清潔能源發展新要求。2021 年10 月，《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》以系統性、科學性、引領性、可獲取性為原則，從實現“讓黃河成為幸福河”整體目標出發，突出干支流河流健康功能維持、流域生態環境有效保護、經濟社會高質量發展三維協同[10]。

黃河上游龍羊峽至青銅峽河段水電開發時間較早、開發程度較高，梯級主要集中在龍羊峽至烏金峽河段，龍羊峽以上河段開發時間較晚、開發程度低。目前龍羊峽至烏金峽河段已建水電梯級23座，如圖3 所示，總裝機容量1 496 萬kW，占全國總裝機容量3.8%。年均發電量約518億kW·h，占全國總發電量的3.9%，黃河上游已建水電站統計情況詳見表1。

表1 黃河上游已建水電站統計

圖3 黃河流域上游已建水電站分布

同時，目前在建水電梯級2 座，分別是瑪爾擋和羊曲水電站，總裝機容量340萬kW；規劃水電梯級5座，分別是首曲、寧木特、爾多、茨哈峽、山坪水電站，總裝機容量437.5萬kW。

2 黃河上游生態保護

2.1 不斷完善生態保護法規

環境影響評價是對工程建設和影響進行調查、評價，對可能造成的影響提出環境保護措施，對推進生態文明和環境保護具有重要意義。我國自20 世紀70年代引入環境影響評價的概念，已開展了大量環境影響評價工作[11]。21 世紀初期，我國水電事業呈現飛躍式發展，開展了基于陸生、水生、地表水以及地下水等專業的環境影響評價，并開展相應的生態補償措施，為水電工程環境影響評價和保護積累了豐富的實踐經驗[12，13]。

在政策層面，2005 年10 月，黨的十六屆五中全會關于《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十一個五年規劃的建議》明確要求在生態環境保護的基礎上，有序開發水電；“十一五”和“十二五”規劃中都明確了水電開發過程中生態環境保護的重要性和迫切性，也為未來水電開發和運行提出了新的生態保護要求[14]。2014 年，生態環境部（原環境保護部）發文《關于深化落實水電開發生態環境保護措施的通知》，提出“生態優先、統籌考慮、適度開發、確保底線”的環保要求。2022 年，國家自然資源部、生態環境部、林業和草原局聯合發文要求加強生態保護紅線管理，嚴守自然生態安全。

在規劃層面，2003 年《中華人民共和國環境影響評價法》實施后，2008 年開展了龍羊峽至劉家峽河段水電開發環境影響后評價，系統回顧了河段水電開發對環境的影響。2015 年開展了龍羊峽至爾多河段水電規劃環評工作，通過評價，優化了黃河上游水電開發梯級布置格局，推薦瑪爾擋水電站為生態保護實施梯級，首曲、寧木特、爾多作為后續研究梯級。水電規劃保留976 km 河段進行生態環境保護，占龍羊峽以上河段長度的70%。2018 年開展了茨哈至羊曲河段水電開發環境影響回顧評價，對已建班多水電站、擬建羊曲水電站提出了補建環保措施、陸生生態及水生生態保護方面的具體要求。

在項目層面，黃河上游水電梯級除開發時間較早的龍羊峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、青銅峽外，均編制了環境影響評價技術文件并通過了環保主管部門審批。在2000年之前我國環境影響評價制度處在形成期，早期的環境影響主要以施工期的水質保護、水土流失防治等為主。2002年以后隨著對水生生物保護工作的重視，魚類增殖放流作為魚類資源補償的措施首先出現于環境影響評價及批復中。之后，隨著生態環境保護理念不斷發展完善，水電環境影響評價及批復在魚類棲息地保護、過魚措施、生態流量保障措施等方面提出了具體的要求。班多水電站開展環境影響后評價并補建魚道[15]，在建瑪爾擋水電站開展流域生態保護評價，對流域魚類棲息地開展影響保護研究，并開展支流替代生境修復措施。

2.2 主要生態環境影響探討

隨著電力需求的攀升，水電作為優質電力不斷擴機新建，對流域生態環境的影響與日俱增，使生態系統自調節壓力越來越大[16]。從影響對象來看，主要為水生動植物、陸生動植物、水文水質以及局部氣候等。

全球近400條大型河流中有27%處于梯級水電開發狀態，施工區和淹沒區侵占了陸生動植物賴以生存的土地，阻隔了河流的自然流態，威脅了其生存環境。而河流的連通性對水生生態尤其是魚類的生息繁衍具有重要意義。梯級水電的開發導致河流連通性受阻，改變了河流自然形態，河相向湖相變遷，庫區上下游魚類生境遭到破壞和遷移[17]。此外，由于水庫形成后地方漁業養殖產業的興起，間接地造成了外來物種入侵影響，如黃河上游龍羊峽、李家峽水庫的虹鱒養殖等，造成了對當地土著魚類生存空間的擠壓和破壞，進而還會導致群落結構和種質資源發生衰退，特別是對產漂流性和沉性卵的魚類[18]。魚類是水域生態系統中的頂級消費者，也是水域和陸域能量的主要傳遞者，對河流生態系統的穩定有重要作用[19]，同時水生環境的變化與魚類的種群變化和棲息繁衍息息相關[20]。因此，針對梯級水電開發的魚類保護策略研究對維持水電工程的可持續發展和水域生態系統的穩定十分必要。

水電工程對生態環境的影響還包括對河道水質、地質結構、水溫以及局部氣候的改變。水電工程在施工期間，特別是在枯水期進行的施工，在水域內產生大量的生活垃圾、污廢水或建筑垃圾，如果不及時進行處理，會直接進入臨近水體中，導致水體中COD、總磷、總氮等污染指標大幅度增加，對水電工程所在地水域造成污染。庫區蓄水也會降低樞紐區的水流速度和挾沙能力，進而削弱對有害物質的吸附[21]，進一步增加水體富營養化。此外，庫區水位上升會造成兩側山體巖坡抗剪強度降低，因而引發山體滑坡、塌方以及巖體失穩的現象[22]。水電工程建設極易造成嚴重的水土流失，誘發坍塌、滑坡等地質災害[23]。水庫水位增高后對庫區周圍形成長時間的侵蝕，也容易造成邊坡的坍塌。研究表明，單個水電工程對庫區水溫的影響不僅體現在水電工程附近河流平均水溫上升，還體現在分層現象顯著，表層水溫年內溫差大，庫底水溫年內溫差小[24，25]。水電站運行后由于庫容較大，水層出現溫差比較大的溫躍層對棲息生物影響較大，采用數學模型研究發現梯級電站聯合運行時庫區的水溫分層較單獨運行時更小，而下泄水溫過程的延遲和均化現象會進一步加強[26]；通過對比建壩前天然水溫和建壩后下泄水溫，發現梯級電站使下泄水溫年變化過程趨于均化，且不同的水庫水溫結構對水溫累積效應的影響不同[27]。國外相關研究發現，修建水壩顯著改變了流域下游的水流量狀況[28]。國內研究則表明水電站建設和聯合調度運行，改變了天然徑流的分配模式，河流年水位-時間過程線會趨于平緩，出現壩下河流呈非汛期流量增加、汛期流量減少的現象[29，30]。另外，修建大壩改變了該流域原有的集水區域地形特征，水域面積發生了明顯變化，從而影響大氣環流和水分蒸發，形成了局地小氣候，主要表現在：水庫蓄水造成局部地區水量和蒸發量增大，空氣濕度明顯增大，且隨著水汽量加大和遷移速度增加，庫區降水效應也明顯增強，由于水面的鏡面效應，直接造成庫區平均氣溫上升，且水庫中的水資源具有一定的蓄熱能力，造成氣溫變化幅度減小[31]。

2.3 生態保護措施

生態環境保護措施是人類對受人類活動影響或破壞的生態環境的一種修復補償機制[32]，它是一種緩慢的、長期的、單方面的補償措施，是對生態系統的修復以及生態功能的重塑或者替代[33]。針對水電工程造成的各種生態問題，目前已有的生態保護措施主要包括棲息地保護、過魚設施、生態調度等[34]。

棲息地保護主要包括對棲息地生境的評估、保護和修復[35]，根據水電工程對河流生態系統的影響程度，通過棲息地評價分析，保護模式主要有兩種，對于未受干擾或干擾程度較低的河流，可直接采取棲息地原生態保育，避免人為干擾；對于干擾較為嚴重引起生境環境變化和破壞的水電工程，則以棲息地人工修復為主，較為嚴重的可以采取支流生境替代保護策略[36]。在加拿大羅斯布蘭奇河，通過棲息地修復改善和重建了魚類棲息環境，通過修建魚道修復魚類的生殖回游通道。澳大利亞Freudenau 水庫通過人工修建生態護坡，種植水生植物，豐富了水庫消落帶的生態功能[37]。

魚道和魚類增殖站在保護黃河特有魚類和生態系統的穩定性方面發揮了重要的作用[38]，可以修復受影響的河流生態，但對魚道的水流參數、誘魚策略等還需要因地制宜，根據不同水電站的位置和過魚品種具體確定[39]。魚類增殖站隨著人工繁育技術的提升和養殖設施設備的更新，基本可滿足保護魚類的繁育和放流要求[40]。黃河上游已建電站目前采取的魚類保護措施主要為魚類增殖站，龍羊峽至劉家峽河段已建蘇只、積石峽、大河家、炳靈4座魚類增殖站；劉家峽至烏金峽河段已建河口、烏金峽2座魚類增殖站。繁殖成功的土著魚類主要為花斑裸鯉、黃河裸裂尻、極邊扁咽齒魚[41]。龍羊峽以上河段已建的班多水電站補建了右岸魚道。近期建設的瑪爾擋水電站、羊曲水電站均考慮了魚類棲息地保護、過魚措施、增殖放流等較為全面魚類保護措施。李家峽水電站在實施擴機工程的同時，實現了環保措施的“以新帶老”，擬對主體工程考慮補建魚類增殖站和集運魚系統。

河流生態系統保護和可持續利用的重要一點是維持河流一定的生態基流，通過水電站進行生態調度，不僅可以保證河流生態基流，還能維持河流生態系統的穩定。生態調度主要的目的是給下游釋放足夠的流量，保證下游河流生物生息繁衍的生態需求。為達到這一生態目標，對生態基流下泄流量、流速、水中溶解氧以及水溫都要進行評價和監測，以保證下游種群不受水文參數變化的影響[42]。

陸生環境保護方面，2000 年以前修建的水電站重點關注的是施工擾動區域，保護措施以棄渣場、料場、施工道路等的水土保持為主。2000 年以后國務院提出了進一步推進全國綠色通道建設的通知，對水利水電項目要求做好庫區周邊的綠化工作。除常規水土保持措施外，固體廢棄物措施也是陸生生態保護的一項重要措施，主要是對施工和生產生活中產生的各種建筑廢物、生活垃圾及時進行分類回收處理和再次循環利用，移民安置點應配套相應的污水收集處理設施、固廢收集轉運設施等，避免其對陸生生態環境的污染。

3 黃河上游水電開發與生態保護路徑

3.1 水風光儲能源互補一體化，提高能源利用率，降低水電開發對河流生態的壓力

在2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”目標背景下，隨著今后風光等新能源大規模開發，跨區域大規模風光集中消納問題需要發揮我國水電規模、集中程度的資源稟賦，充分利用各水電基地干流梯級巨大的“儲能”和多尺度調節的靈活性作用。水電行業也將由“電源供應者”逐步轉向為“電源供應者+‘電池’調節者”，服務國家大的碳減排環境保護戰略目標[43]。

在雙碳目標下，需要創新能源體制機制，擴大優質能源供給，實現黃河上游梯級水電從規模速度型向質量效益型轉變，提升能源利用效率。首先，在規劃層面，水電等可再生能源發展應與地方“多規合一”協調，統籌考慮開發空間與生態保護空間的關系；其次，需按照國家和有關部門制定的戰略規劃，在生態保護的前提下深入研究建設梯級水電儲能工廠，利用已、在建水電站建設儲能泵站或抽水蓄能電站；再次，研究對有條件的水電站進行擴建，充分發揮已建水電站的功能效益，結合西北地區豐富的風光資源，建設“水風光儲”多能互補一體化可再生能源創新示范基地。通過能源互補、削峰填谷提高能源利用率，使發電和生態調度穩定運行，降低對生態系統的壓力。

3.2 加強對流域水電開發的環境影響評價和回顧性評價，注重生態保護和修復效率

應積極落實黃河上游流域層面相關規劃環境影響評價、回顧性環境評價要求，執行流域層面相關環境保護措施體系規劃。充分調查評估支流生態環境狀況，進行支流生態修復，將對干流生態環境保護起到較好的補充作用。

在特殊河段應以生態保護優先，限制開發。龍羊峽以上河段開發程度較低，位于或毗鄰三江源地區，生態環境相對脆弱，應以預防保護為主。龍羊峽至烏金峽河段水電梯級集中且開發時間較早，應以生態修復為主，儲能、擴機等工程重視環保措施的“以新帶老”，逐步提升河段生態環境狀況。烏金峽以下河段開發程度較低，水電資源主要集中于黑山峽河段。通過調查、評估，制定生態修復規劃，包括統籌魚類增放流措施、關鍵河段河流連通性恢復措施、梯級聯合生態調度、外來物種綜合治理、水土流失嚴重區域治理、重要濕地生境修復措施等。應結合水電規劃環評工作，充分考慮水電梯級生態環境影響，從流域層面確定生態環境保護重要河段，提出保護對策。

3.3 通過間接方式開始水電工程的生態環境服務付費（PES）嘗試

生態環境服務付費（PES）最早由美國學者Lar?son&Mazzarese提出[44]，國內外對PES的研究隨著生態保護政策的完善開展了很多嘗試，特別是在濕地和森林生態系統保護方面[45]。如，1997 年拉丁美洲La Esperanza 水電站對上游森林生態系統做出的生態環境補償服務付費，按照每公頃每年10美元的標準支付，主要用于降低溫室氣體的排放、流域保護、生物多樣性保護和自然景觀修復[46]；位于柬埔寨水電工程的PES項目中，為了保護森林生態系統、減少水土流失、維護上游森林覆蓋率，根據流域侵蝕模型和水庫淤積估算造成的能量價值損失，經計算得到PES 補償方案為每公頃4.26～5.78 美元[47]。在水電開發工程中應用較少，但基于在其他生態系統開展的PES 成功經驗，可將其應用到黃河上游水電開發生態環境保護實踐中，特別是針對其脆弱的河流生態環境以及魚類保護工作方面。

3.4 實施黃河上游水電梯級智慧化管控

伴隨著我國科技信息化水平的不斷提升，環境保護綜合監測、環保措施效果評估、環境保護管理等工作的信息化可以大幅提升工作效率和準確性、時效性。特別是在當前我國大力實施“互聯網+”戰略的大背景下，加強水電工程信息化建設具有十分重要的價值。運用大數據、物聯網等信息化手段，逐步推進黃河上游水電站包括生態環境保護在內的各管理要素智慧管控，實現精準決策、快速反應，可為流域生態保護與高質量發展提供有力支持。

4 小結與展望

黃河上游水電開發時間總體較早，早期開發的水電工程環境保護措施制定存在一定歷史局限性；水電工程生態環境保護措施實施效果缺乏長期觀測、研究和管理；流域層面的水電開發生態環境保護措施統籌性不足，如干支流協同保護不夠、魚類增殖站等措施總體布局不協調等。為此，需要采取長期監測及管理手段，一方面對已建梯級環境保護措施進行完善，另一方面對今后新建梯級環境保護措施進行不斷提升調整。開展黃河上游水電梯級環境綜合監測及環保措施適應性管理工作，掌握水電梯級群總體的生態環境影響，制定流域層面的環境保護對策，科學分析環境保護問題，并不斷優化水電梯級環境保護措施，實時掌握各水電梯級環境保護措施運行情況及運行效果，整體研究解決區域自然要素的生態環境問題，探索修復路徑，恢復和強化“山水林田湖草沙”系統生態功能，提升生態環境品質，推進黃河流域生態保護和流域經濟高質量發展。